Kutatók egy csoportja egészen közeli képeket tudott készíteni az ujjszerű növekményekről, melyek a lítium-ion akkumulátorokban okoznak problémát. Az úgynevezett dendritek kialakulása ugyanis rövidzárak létrejöttéhez vezet, ami miatt túlhevülhetnek vagy akár ki is gyulladhatnak az energiatároló telepek. Ezzel pedig okostelefonjaink, laptopjaink és más, hordozható elektronikai eszközeink mehetnek tönkre, nem is említve az égési sérülések kockázatát.

Vadonatúj módszer rántotta le a leplet a parányok működéséről

Ahhoz, hogy igazán meg lehessen érteni ezt a folyamatot, szó szerint közelről kell tanulmányozni. Erre csak a legmodernebb eszközökkel nyílik lehetőség, de a Stanford Egyetem és az amerikai National Accelerator Laboratory együttműködésének keretei között ez szerencsére rendelkezésre állt. Az úgynevezett krio-elektron mikroszkóp (cryo-EM) bevetésével sikerült felderíteni, pontosan hogyan is alakulnak ki és formálódnak a lítium fém dendritjei.

A felvételek szerint ezek a hatoldalú kristályok akkor okoznak gondot, ha átütik az akku különböző részei között található szeparátor közeget. Amennyiben a katód és az anód közé helyezett membrán sérül, akkor közvetlen kapcsolat jön létre a két réteg között, az pedig rövidzárhoz vezet. Az átszivárgó töltés hőemelkedéssel jár, ami egy bizonyos szint után a gyúlékony elektrolit-folyadék belobbantásával tüzet hoz létre.

Jazsang Li (Yazhang Li), a jelentés készítője és a Stanford Egyetem végzős hallgatója elárulta, hogy a dendritek leginkább az akkumulátorok töltése során hajlamosak kialakulni. Noha ez eddig is ismert volt, a pontos mechanizmus mostanáig rejtve maradt a kutatók előtt. Ahhoz ugyanis, hogy nagy felbontású képeken keresztül meg lehessen figyelni a dendritek kialakulását, eddig nem állt rendelkezésre sérülésmentes módszer.

A fent említett cryo-EM segítségével viszont olyan új lehetőséget kaptak a tudósok a kezükbe, amivel roncsolásmentes módon lehetett megfigyelni a folyamatot. Ennek köszönhetően derült ki, hogy a dendritek egykristályos, csiszolt nanocsövecske struktúrákba rendeződnek. Átmérőjük 100 nanométertől 2 mikrométerig terjedhet, a töltőáramtól függően.

A fagyasztás volt a kulcs

Több ezer lítium dendritet vizsgáltak meg a Stanford kutatói: kialakulásukat különböző elektrolitokban és szilárd elektrolit-interfázisban egyaránt kutatták. Eszközük, a kémiai Nobel-díjat idén elnyerő cryo-EM alapvető szerepet játszott abban, hogy a fent látható videót el tudták készíteni. Ennek hiányában csak a transzmissziós elektronmikroszkóp (Transmission electron microscopy, TEM) állt volna rendelkezésükre, ám annak elektronnyalábja a dendritekbe való behatolás során meg is semmisítette volna a vizsgálandó célterületet.

Módszerüket a levelek napsütésben való vizsgálatához hasonlították a stanfordi kutatók. Ha erős fényt élő szövetre koncentrálunk, akkor az károsodik, de, ha közben a célterületet lehűtjük, akkor a keletkező hő anélkül távozhat, hogy kárt okozna a szövetben. Ehhez nagyon hasonló módszerrel működik a cryo-EM is: folyékony nitrogénnel gyakorlatilag megfagyasztja a parányi kristályokat, mielőtt azokat darabokra szedve mikroszkóp alatt megvizsgálható állapotúvá tenné.

Li reményei szerint felfedezésük nem csupán a folyamat jobb megismeréséhez, hanem biztonságosabb akkumulátorok létrehozásához is vezethet. Kutatásaik ugyanis rávilágítottak arra, hogy a lítiumban kialakuló dendritek különböző körülmények között eltérő nanostruktúrákba rendeződnek. Ennek ismeretében pedig hatékonyan fel lehet majd lépni az általuk okozott rövidzárak kialakulása ellen.